計算機組成
6 單周期處理器
6.4 訪存指令的控制信號
對於MIPS這樣的指令系統來說，其運算指令是不能直接訪問存儲器的，因此，我們還需要設計單獨的訪存指令，用來完成寄存器和存儲器之間的數據傳輸。在這一節，我們就來看一看這一類訪存指令是如何生成控制信號的。
對於我們要實現的這個處理器，訪存指令都是屬於 I 型指令，一條是load，一條是store。我們分別來進行分析。
對於load指令。首先，當然也是取指；然后根據運算出的地址，訪問數據存儲器，並將讀出的內容寫入到 rt 指定的寄存器中；最后，是更新PC寄存器。 那第一步和第三步，與運算指令都是一樣的。在這里我們就只講解第二步相關的操作。
這是我們的數據通路，如果當前IFU 取回的是一條load指令，那這些控制信號將會如何設置呢？ 首先，下一條指令的地址應該還是采用PC+4的方式。然后我們來看寄存器堆這一邊，rs 和 rt 都是固定連接到了指令編碼的對應位域，因此，busA 和 busB 這兩組信號上，分別是由rs和rt所指定的寄存器的內容。
但我們要注意，對於這條指令，我們想要運算的是rs寄存器中的內容和立即數的符號擴展進行加法。因此，對於ALU的第二個操作數的來源，我們應該通過這個多選器（ALUSrc），選擇通道1，並且設置擴展部件為符號擴展的功能（ExtOp=“sign”）。這樣，指令位域中的16位立即數就會經過符號擴展，最終連接到了ALU的第二個輸入端，而我們發送到ALU的控制信號，則是要設置為加法運算（ALUCtr=“ADD”）。 這樣，ALU就會完成了訪存地址的運算，並將地址信號送到數據存儲器的地址輸入端（Adr）。同時我們也要注意，busB上的信號也會被連接到數據存儲器（Data Memory）的數據輸入端（Data In），雖然我們並不需要它，但是這根信號仍然會把 rt 所指定的寄存器的內容送過來。 所以我們需要設置數據存儲器的寫使能信號（MemWr）把它設為0，保證了數據存儲器的內容不會發生改變。 然后我們來看最后這個多選器，這個多選器的兩個輸入，一個是ALU的運算結果，就是訪存的地址；另一個是從數據存儲器當中，讀出的數據。 那么對於這條指令，我們顯然希望把后者送到寄存器堆當中去。因此，對於這個多選器來說，我們需要設置它的選擇信號為1（MemtoReg=1）， 這樣我們就可以把數據存儲器的輸出傳送到寄存器堆的數據輸入端（busW），
而且因為我們要寫入 rt 所指定的寄存器，所以，我們需要設置寄存器堆的寫使能信號為有效（RegWr=1），並把寫入寄存器編號的來源設置為rt（RegDst=0）。
這樣，在下一個時鍾上升沿到來的時候，數據存儲器輸出的內容就會被寫入到rt所指定的寄存器當中去了，而且在同樣的這個時鍾上升沿，PC寄存器的內容也會被更新為PC+4，這就是load指令所完成的操作。
然后我們來看store指令，store指令也分為三步，同樣，我們也只看其中的第二步。
對於store指令，我們也需要將rs寄存器中的內容和立即數 的符號擴展進行加法運算，並以此作為地址訪問數據存儲器， 不過不是讀出，而是寫入。因此，對應到數據通路上，我們就直接標出了對於store指令，有效的這些信號。 那這些控制信號又該如何設置呢？ 那你不妨自己想一想，然后我們一起快速地瀏覽一遍。 對於IFU，我們要選擇下一條指令的地址， 仍然是PC+4（nPC_sel="+4"），我們要選擇ALU的數據的輸入，現在我們選的是立即數的符號擴展（ExtOp=“sign”; ALUSrc=1）， 而對於ALU，我們依然要選擇加法的運算類型（ALUCtr=“ADD”）。ALU的運算結果，依然是一個地址，會被送到數據存儲器上。但是與之前不同的是，這條指令要完成向數據存儲器的寫操作。所以，在這里我們會把數據存儲器的寫使能信號置為有效（MemWr=1）。 這樣，在下一個時鍾的上升沿，數據存儲器就會采樣其數據輸入端（Data In）的信號，但這個輸入端的信號又是什么呢？我們可以看一看，實際上它連到了busB，而 busB是由rt這個信號所指定的寄存器中的內容。 因此，在下一個時鍾上升沿到來的時候，數據存儲器會根據ALU算出來的地址（Adr），選中對應的存儲單元，並采樣這個來自rt寄存器當中的內容，將它存到對應的存儲單元中去。 對於store指令來說，它就完成了它所需要做的主體的操作，但是對於這個數據通路，我們必須要把剩下的控制信號都設置完整。
我們來看后面這個多選器，因為對store指令，我們不需要改寫寄存器堆的內容， 所以無論選擇哪個通路，都是沒有意義的。 在這里，我們就設置這個控制信號，可以是0，也可以是1，就用x來進行標記（MemtoReg=x）。 那這樣，這個多選器總會選出一組信號，最終送到寄存器堆的數據輸入端。不過沒有關系，我們只需要設置寄存器堆的寫使能信號為無效（RegWr=0），在時鍾上升沿到來的時候，寄存器堆的內容就不會發生改變。也正因為如此，這個要寫入的寄存器編號，無論設成rb還是rt（RegDst=x）也都是可以的。
這就是對於store指令的控制信號的設置方法。
現在，我們已經掌握了訪存指令是如何生成控制信號的，再加上之前的運算指令，我們就可以編寫程序，讓計算機完成相應的任務了。不過，如果我們想編寫出功能更為強大的程序，那只有運算指令和訪存指令是不夠的，我們還需要改變程序流向的分支指令。這一點，我們在下一節繼續分析。